Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng vàđang thay thế các công việc hàng ngày của con người từ những công việctừ đơn giản đến phức tạp như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ
ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ ĐIỆN TỬ
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Cảnh Quang
Mã lớp học: 145362
Sinh viên thực hiện:
1 Ngô Trung Đức 20212768
2 Dương Gia Phong 20212913
3 Nguyễn Mạnh Trung 20213008
4 Lê Trường Thành 20212970
Hà Nội, 1/2024
1 | P a g e
Trang 2MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 3
Chương I: Giới thiệu về đồng hồ điện tử sử dụng IC số 4
1 Sơ đồ khối của mạch đồng hồ điện tử 4
2 Nguyên lý hoạt động: 4
Chương II: Phân tích các khối làm việc 4
1 Khối tạo xung dao động( IC 555) 5
1.1 Tìm hiểu về IC 555 5
1.2 Nguyên lý hoạt động 5
2 Khối đếm xung (IC 7490) 6
2.1 Tìm hiểu về IC 7490 6
2.2 Nguyên lý hoạt động IC 7490 6
3 Khối giải mã (IC 7747) 6
3.1 Tìm hiểu về IC 7747 6
3.2 Nguyên lý hoạt động 7
4 Khối hiển thị ( LED 7 thanh) 7
4.1 Tìm hiểu về LED 7 thanh 7
4.2 Nguyên lý hoạt động 8
5 Khối hẹn giờ 8
5.1 Tìm hiểu về IC 4077 8
5.2 Tìm hiểu về IC 7408 10
5.3 Khối hẹn giờ 10
6 Đặt giờ 12
TỔNG KẾT 14
2 | P a g e
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay ngành kỹ thuật điện tử có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng và đang thay thế các công việc hàng ngày của con người từ những công việc
từ đơn giản đến phức tạp như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơ hay các đồng hồ số Các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số Tuy nhiên trong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại đó là:
độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Trong đề tài môn học Thiết kế hệ thống số, nhóm em thực hiện đề tài: “Thiết kế đồng hồ điện tử sử dụng IC số”.Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Cảnh Quang đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành môn học
3 | P a g e
Trang 4Chương I: Giới thiệu về đồng hồ điện tử sử dụng IC số
Đồng hồ điện tử chắc hẳn không còn là một thiết bị xa lạ đối với chúng ta Tuy nhiên không phải tất cả mọi người đều biết được nguyên lý hoạt động của nó Vì thế trong môn học này, chúng ta sẽ tìm hiểu, trình bày nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch đồng hồ với một số chức năng cơ bản
1 Sơ đồ khối của mạch đồng hồ điện tử.
2 Nguyên lý hoạt động:
Khi mạch được cấp nguồn , khối tại dao động IC 555 sẽ tạo ra một xung vuông có chu kỳ 1 giây và đưa đến các chân đầu vào của IC 7490 sau
đó từ ngõ ra của IC 7490 sẽ đưa ra 4 bit đầu ra Đầu ra của IC 7490 sẽ được nối với đầu vào của IC 7447 có chức năng giải mã 4 bit nhị phân thành các tín hiệu đưa ra 7 ngõ ra nối với LED 7 thanh, khi đó LED 7 thanh sẽ hiển thị tín hiệu tương ứng
Ta sử dụng một cổng AND trong IC 7408, nối với chân QA và QD của
IC 7490 vào 2 chân đầu vào của một phần tử AND khi đó đầu ra ta được một xung với chu kỳ là 10 giây được nối với đầu vào của IC 7490 của hàng chục Vì hàng chục chỉ giới hạn sở số 6 nên ta lại tiếp tục sử dụng một cổng AND nữa và lần này là nối chân Q và Q vào 2 chân vào cổng AND và đầuB C
ra được nối với chân RESET 0 của IC 7490
Chức năng đặt trước cho bộ đếm sẽ được tạo ra bằng cách sử dụng nút bấm để cung cấp xung cho bộ đếm sau khi đã ngắt xung cung cấp từ IC
555, sau khi đã đặt được giá trị mong muốn chỉ việc cấp lại xung từ IC 555 Lúc này bộ đếm sẽ đếm từ giá trị vừa đặt
Hẹn giờ là chức năng được thực hiện bằng cách so sánh 4 bit đầu của
IC 7490 của giá trị đặt ban đầu và giá trị đang đếm của bộ đếm thông qua
IC 4077( gồm các cổng XNOR) và IC 7408 Khi 4 bit đầu ra trùng với nhau khi đó khối hẹn giờ sẽ cho ở đầu ra một tín hiệu mức 1 Nối đầu ra với đèn LED hoặc một chuông để thực hiện chức năng thông báo
4 | P a g e
Trang 5Chương II: Phân tích các khối làm việc
1 Khối tạo xung dao động( IC 555)
1.1 Tìm hiểu về IC 555
Đây là IC 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạch dao động đa hài, bộ chia tần,… Trong mạch này, IC 555 được sử dụng làm bộ phát xung
Chức năng của từng chân:
+ Chân 1 (GND): Nối đất
+ Chân 2 (Trigger): Nhận xung kích để đổi trạng thái
+ Chân 3 (Output): Ngõ ra
+ Chân 4 (Reset): Trả về trạnh thái ban đầu
+ Chân 5 (Control Voltage): Lấy điện áp điều khiển tần số dao động + Chân 6 (Threshold): Lập ngưỡng cho tầng so sánh
+ Chân 7 (Discharge): Đường xã điện cho tụ trong mạch
+ Chân 8 (Vcc): Nối với nguồn dương
1.2 Nguyên lý hoạt động
Để tạo ra dao động, ta thực hiện mắc các thành phần điện trở và tụ điện tương ứng vào các chân theo sơ đồ, tín hiệu sẽ được đưa ra ở chân 3, tần số của tín hiệu phụ thuộc và giá trị điện dung, và điện trở của các thành phần mắc vào theo công thức (*)
IC 555 sẽ bắt đầu tạo ra một chuỗi các xung tín hiệu, là các xung vuông có dang như hình dưới
Trong đó:
5 | P a g e
Trang 6Tm = ln(2) ( R1 + R2 ) C1 : thời gian điện áp mức cao
Ts = ln(2) R2 C1 : thời gian điện áp mức thấp
T = Tm + Ts : chu kỳ toàn phần
Tần số dao động: f = 1
ln (2).C (R 1+R 2 (*)
2 Khối đếm xung (IC 7490)
2.1 Tìm hiểu về IC 7490.
Trong các mạch số ứng dụng, ứng dụng đếm chiếm một phần tương đối lớn IC 7490 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số
Chức năng các chân :
+ Input 2: Ngõ vào xung clock cấp cho chức năng đếm lùi
+ R1, R2, R3, R4: Các chân reset
+ VCC: Chân đầu vào cấp nguồn
+ NC: Chân không sử dụng
+ QA, QB, QC, QD: Các chân đầu ra của bộ đếm
+ Input 1: Ngõ vào xung clock cho chức năng đếm tiến
+ GND: Chân nối đất
2.2 Nguyên lý hoạt động IC 7490.
IC 7490 là một bộ đếm BCD được sử dụng để đếm xung Nguyên lý đếm xung của IC 7490 dựa trên sự kích hoạt của các tín hiệu xung vào Mỗi khi xung vào được kích hoạt, giá trị hiện tại của bộ đếm sẽ tăng lên một đơn vị
Khi giá trị đếm đạt đến 9, các đầu vào xung sẽ được đặt lại về 0 và đầu ra xung QA sẽ chuyển sang trạng thái cao (1) Đồng thời, tín hiệu điều khiển (R0, R1, R2 và R3) sẽ được kích hoạt để đặt lại các giá trị đếm của
bộ đếm
6 | P a g e
Trang 73 Khối giải mã (IC 7747)
3.1 Tìm hiểu về IC 7747.
Vi mạch giải mã 7 đoạn 7447 là loại IC có 16 chân dùng để giải mã
từ mã BCD sang mã 7 đoạn để hiển thị được trên led 7 đoạn
Chức năng của các chân :
+ Chân số 8 là chân nối đất (0V)
+ Chân số 16 là chân nguồn cung cấp (VCC)
+ Chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào BCD
+ Chân 9,10,11,12,13,14,15 là các chân đầu ra
+ Chân 3,4,5 là các chân kiểm tra IC
+ Chân LT (Lamp Test) được dùng để kiểm tra tình trạng hoạt động (sống hay chết) của các vạch, trong khi chân RB (Ripper Blanking) được dùng để tắt tất cả các vạch khi yêu cầu ở trạng thái không hiển thị số
3.2 Nguyên lý hoạt động.
IC 7447 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt và mức
0 là sáng tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại Anode chung, trạng thái ngõ ra tương ứng với các số thập phân (các số từ
10 đến 15 không dùng tới)
Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải
mã bình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái các ngõ ra
Ngõ vào xoá RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số 0 thừa phía sau dấu thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa RBO xuống mức thấp Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng
7 | P a g e
Trang 84 Khối hiển thị ( LED 7 thanh)
4.1 Tìm hiểu về LED 7 thanh.
LED 7 thanh là một thiết bị điện tử được sử dụng để hiển thị số và ký
tự và tạo ra các ký tự số từ 0 đến 9 và một số ký hiệu khác như dấu chấm, dấu gạch và dấu hai chấm
Chức năng các chân:
+ Gnd, Vcc là các chân cấp nguồn chung
+ Các chân a, b, c, d, f, g, dp là các chân cấp nguồn cho
các thanh tương ứng a, b, c, d, e, f, g, dp
4.2 Nguyên lý hoạt động.
+ Led anode chung:
Đối với dạng Led Anode chung, chân COM phải có mức logic 1 và muốn sáng Led thì tương ứng các chân a – f, dp sẽ ở mức logic 0
+ Led cathode chung:
Đối với dạng Led Cathode chung, chân COM phải có mức logic 0 và muốn sáng Led thì tương ứng các chân a – f, dp sẽ ở mức logic 1
8 | P a g e
Trang 95 Khối hẹn giờ.
5.1 Tìm hiểu về IC 4077.
CD4077 thuộc dòng IC CD4000 CD4077 là IC bốn cổng X-NOR (EXCLUSIVE-NOR) 2 đầu vào IC này cho phép người thiết kế thực hiện trực tiếp chức năng cổng X-NOR logic dương
Chức năng các chân:
S
1 A Đầu vào 1 của Q O 8 E Đầu vào 1 của Q 2
2 B Đầu vào 2 của QO 9 F Đầu vào 2 của Q2
3 J(Q O ¿ Đầu ra của X-NOR1 10 L(Q 2 ) Đầu ra của X-NOR3
4 (QK¿¿1)¿Đầu ra của X-NOR2 11 M(Q 3 ) Đầu ra của X-NOR4
5 C Đầu vào 1 của Q 1 12 G Đầu vào 1 của Q 3
6 D Đầu vào 2 của Q1 13 H Đầu vào 2 của Q3
7 V SS Nguồn source 14 V Nguồn drain
Nguyên lý hoạt động IC :
IC hoạt động như 4 cổng X-NOR Với các xung vào từng chân đầu vào sẽ có 1 giá trị ở đầu ra (J,K,M,L) tương ứng theo nguyên tắc cổng X-NOR
Xét với 3 chân 1,2,3 ta có bảng chân lý của 1 trong 4 cổng:
9 | P a g e
Trang 10Ứng dụng trong mạch đồng hồ: Để so sánh giá trị đặt trước với giá trị của đồng hồ đang đếm Khi thời gian của đồng hồ bằng thời gian hẹn thì đầu ra của các cổng logic sẽ làm đèn báo sáng
5.2 Tìm hiểu về IC 7408
IC 7408 (IC 74LS08) được biết đến là một vi mạch tích hợp với 4 cổng AND hai đầu vào 8 bit 7408 là dòng IC thuộc họ IC 74XXYY IC
7408 được cấu tạo với 4 cổng AND, các công có thể được sử dụng riêng biệt mà không gây ảnh hưởng tới các cổng khác
Sơ đồ chân và chức năng:
1 A1 Đầu vào 1 của Q1 8 Y3 Đầu ra của Q3
2 B1 Đầu vào 2 của Q1 9 A3 Đầu vào 1 của Q3
3 Y1 Đầu ra của Q1 10 B3 Đầu vào 2 của Q3
4 A2 Đầu vào 1 của Q2 11 Y4 Đầu ra của Q4
5 B2 Đầu vào 2 của Q2 12 A4 Đầu vào 1 của Q4
6 Y2 Đâu ra của Q2 13 B4 Đầu vào 2 cảu Q4
7 GND Chân nối đất 14 Vcc Ngồn cấp
Nguyên lý hoạt động:
IC hoạt động như 4 cổng AND riêng biệt Với các xung vào từng chân đầu vào sẽ có 1 giá trị ở đầu ra Y tương ứng theo nguyên tắc cổng AND
10 | P a g e
Trang 11Ta có bảng chân lý như sau:
5.3 Khối hẹn giờ.
Hẹn giờ là chức năng được thực hiện bằng cách so sánh 4 bit đầu của
IC 7490 của giá trị đặt ban đầu và giá trị đang đếm của bộ đếm thông qua
IC 4077( gồm các cổng XNOR) và IC 7408 Khi 4 bit đầu ra trùng với nhau khi đó khối hẹn giờ sẽ cho ở đầu ra một tín hiệu mức 1 Nối đầu ra với đèn LED hoặc một chuông để thực hiện chức năng thông báo
11 | P a g e
Trang 1212 | P a g e
Trang 136 Đặt giờ
Chức năng đặt trước cho bộ đếm sẽ được tạo ra bằng cách sử dụng nút bấm để cung cấp xung cho bộ đếm sau khi đã ngắt xung cung cấp từ IC
555, sau khi đã đặt được giá trị mong muốn chỉ việc cấp lại xung từ IC 555 Lúc này bộ đếm sẽ đếm từ giá trị vừa đặt
TỔNG KẾT VÀ ĐỀ XUẤT
H2.Ảnh mạch thật
13 | P a g e
Trang 14Dựa trên nguyên lý và mạch mô phỏng, nhóm chúng em đã hoàn thiện được mạch thật và hoạt động một cách khá là chính xác với lý thuyết, tuy nhiên do còn hạn chế về linh kiện và kiến thức nên mạch vẫn còn chưa được tối ưu và chính xác hoàn toàn Mạch trên vẫn còn rất hạn chế về mặt chức năng khi chỉ có
3 chức năng đếm đặt giờ và hẹn giờ, tuy nhiên có thể phát triển để dùng trong việc hẹn giờ sạc điện, hẹn giờ sáng bóng đèn,…
14 | P a g e